廣西及鄰區(qū)b值變化特征

蘇 珊，郭培蘭

（廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧 530000）

0 引言

2008 年至2021 年，廣西及鄰區(qū)先后發(fā)生平果M4.5、蒼梧M5.4、北流M5.4 和靖西M5.2 等13 次4級(jí)以上地震，地震活動(dòng)顯著增強(qiáng)，多數(shù)地震沿桂西地區(qū)的北西—南東向斷裂呈帶狀分布，桂東南的北東—南西向斷裂發(fā)生了兩次5 級(jí)以上地震（圖1）。廣西及鄰區(qū)地處地震活躍的川滇地區(qū)與相對(duì)穩(wěn)定的華南地塊過(guò)渡地帶，區(qū)內(nèi)地震分布具有明顯的分區(qū)特征，整體為西強(qiáng)東弱。既往研究表明，區(qū)域應(yīng)力環(huán)境與地震發(fā)生機(jī)理和孕震過(guò)程等密切相關(guān)，其變化趨勢(shì)是地震危險(xiǎn)性研判的重要指標(biāo)，亟待進(jìn)一步研究。

圖1 2008年以來(lái)廣西及鄰區(qū)M4級(jí)以上地震分布Fig.1 Distribution of earthquakes withM≥4 in Guangxi and its adjacent areas since 2008

1944 年 Gutenberg 和 Richter[1]提 出 的震 級(jí) — 頻度公式（G-R關(guān)系）lgN=a-b×M，其中b值時(shí)地震學(xué)中最重要的地震活動(dòng)性參數(shù)之一。實(shí)驗(yàn)室?guī)r石聲發(fā)射微震實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)力與b值之間存在一個(gè)負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)應(yīng)力增強(qiáng)時(shí)，b值降低，而當(dāng)應(yīng)力減弱時(shí)，b值升高，這一關(guān)系在真實(shí)的地震活動(dòng)中也得到體現(xiàn)，b值也因此被作為地下應(yīng)力指示計(jì)[2-6]。大震分發(fā)生與地下應(yīng)力的集中增強(qiáng)密切相關(guān)，而b值與應(yīng)力的負(fù)相關(guān)關(guān)系使它的時(shí)空變化特征對(duì)于地震危險(xiǎn)性評(píng)估和地震預(yù)報(bào)有著重要意義。在實(shí)際應(yīng)用中，b值的時(shí)空變化與大震的發(fā)生關(guān)系往往更為復(fù)雜。對(duì)川滇1981年以來(lái)19次M6.5地震與b值的時(shí)空分布關(guān)系研究結(jié)果表明，川滇地區(qū)b值空間分布特征與強(qiáng)震活動(dòng)之間聯(lián)系并不顯著，但震前b值的時(shí)間分布呈現(xiàn)系統(tǒng)地下降，58%的震源區(qū)的b值在強(qiáng)震前出現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)[7]。陳學(xué)忠等[8-9]對(duì) 1976 年唐山M7.8 和 2019 年長(zhǎng)寧M7.8 地震前b值時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明這兩次地震前出現(xiàn)顯著的b值下降現(xiàn)象。史海霞等[10]在對(duì)2008 年汶川M8.0 地震前b值時(shí)空變化特征的研究中發(fā)現(xiàn)，震前b值從2002 年始至地震前呈現(xiàn)出一個(gè)長(zhǎng)期趨勢(shì)性減小，而后出現(xiàn)持續(xù)約兩年的穩(wěn)定并略有上升趨勢(shì)，在地震前約半年，出現(xiàn)快速、顯著的下降，這個(gè)結(jié)果與與Nanjo 等[11]報(bào)道的日本東北9.0 級(jí)地震前b變化特征非常相似。本文將系統(tǒng)的研究2008 年以來(lái)廣西及鄰區(qū)b值的時(shí)空變化，探索其與區(qū)域中強(qiáng)震孕育之間的聯(lián)系，為地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考。

1 資料和研究方法

1.1 研究資料的選取

本文將廣西及鄰區(qū)（104°～113°E，20°～27°N）作為研究區(qū)，廣西地區(qū)2008 年1 月廣西數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)竣工投入正式運(yùn)行[12]，區(qū)域監(jiān)測(cè)能力得到較大提升，因此選取研究區(qū)內(nèi)2008年1月至2022年3月地震目錄作為計(jì)算b值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)在此期間研究區(qū)域內(nèi)的的地震震級(jí)—頻度（G-R關(guān)系）分布圖（圖2），震級(jí)在ML1.5～4.3 的范圍內(nèi)G-R關(guān)系線性擬合效果最好，確定最小完備性震級(jí)MC=ML1.5，震級(jí)上限為ML4.3。

圖2 2008年1月至2022年3月廣西及鄰區(qū)地震震級(jí)-頻度（G-R）關(guān)系Fig.2 The G-R relationship between magnitude and frequency of earthquakes in Guangxi and its adjacent areas from January 2008 to March 2022

1.2 b值分析方法

本文采用基于格點(diǎn)搜索的b值分析方法程序?qū)ρ芯繀^(qū)進(jìn)行b值時(shí)空分析[13]。該程序選用最大似然法[14]來(lái)計(jì)算b值：

b值95%的置信概率為：

在計(jì)算b值隨時(shí)間的變化時(shí)，采用基于地震事件數(shù)量選取窗長(zhǎng)和步長(zhǎng)的方法，即選取等事件數(shù)量作為計(jì)算b值的窗長(zhǎng)，并將窗口以等事件數(shù)量的增量進(jìn)行滑動(dòng)，使得各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上用于計(jì)算b值的地震事件數(shù)量是均勻的，確保計(jì)算結(jié)果不受樣本量變化的影響。

計(jì)算b值在空間上的變化特征時(shí)，首先將研究區(qū)劃分為一定大小的格點(diǎn)，以格點(diǎn)為中心選取固定大小的正方形區(qū)域作為它的空間窗，計(jì)算每個(gè)空間窗內(nèi)b值隨時(shí)間的變化曲線，而后，挑選出研究區(qū)內(nèi)b值顯著下降的格點(diǎn)，并將其作為異常點(diǎn)，多個(gè)異常點(diǎn)集中的區(qū)域作為b值異常區(qū)。選取這個(gè)異常區(qū)內(nèi)的地震計(jì)算b值隨時(shí)間的變化，從而可以得到整個(gè)b值異常區(qū)的范圍及其b值隨時(shí)間變化的特征。本文將研究區(qū)劃分為0.1°×0.1°的格點(diǎn)，選取的空間窗大小為2°×2°。

對(duì)于b值的時(shí)間變化曲線b（t），b值的相對(duì)變化表示為：

其中b1是時(shí)間t1的b值，而b2是時(shí)間t2的。通過(guò)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)b值的相對(duì)變化，可以得到b值相對(duì)變化的空間分布。

2 結(jié)果

本文將研究區(qū)劃分為0.1°×0.1°的格點(diǎn)，選取的空間窗大小為2°×2°，每個(gè)格點(diǎn)以100個(gè)地震計(jì)算b值，每3個(gè)地震向前滑動(dòng)計(jì)算時(shí)間變化曲線。Lei[15]研究發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)窗口中事件數(shù)量越大，b值曲線越平滑，事件數(shù)量越少，b值演化的分辨率越高。經(jīng)過(guò)試算后，最終確定100 個(gè)地震事件為窗長(zhǎng)、3 個(gè)事件為步長(zhǎng)，在保證b值變化信息不丟失的情況下盡量平滑曲線，b值置信概率為95%。在計(jì)算過(guò)程中，如果格點(diǎn)內(nèi)得到b值數(shù)量較少，則其時(shí)間曲線上節(jié)點(diǎn)的均勻性可能較低，無(wú)法反應(yīng)出可靠的b值變化信息[8]。我們?cè)O(shè)定時(shí)間曲線上最少數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為10 個(gè)，最終共得到研究區(qū)內(nèi)4014 個(gè)格點(diǎn)的b值隨時(shí)間變化曲線。圖3 展示了2008 年以來(lái)研究區(qū)內(nèi)b值變化的空間分布情況：廣西中西部地區(qū)存在一個(gè)顯著的b值下降區(qū)域，覆蓋靖西—崇左、百色—合浦、巴馬—博白三條北西向斷裂和桂林—南寧、防城—靈山兩條南東向斷裂，也是這五條斷裂的交匯區(qū)域。該b值下降區(qū)域先后發(fā)生了5 次M4 以上地震，包括 2019 年 11 月 25 日靖西M5.2 和 2021年8月4日德保M4.8地震；位于廣西東南部粵桂交界區(qū)域的合浦—北流斷裂附近存在一個(gè)b值上升區(qū)域，于2019年10月12日發(fā)生北流M5.2地震。

圖3 2008-01—2022-03廣西地區(qū)b值空間分布Fig.3 Spatial distribution of b value in Guangxi from January 2008 to March 2022

為分析研究區(qū)內(nèi)b值顯著變化區(qū)域的時(shí)間曲線，本文篩選了b值下降超過(guò)10%和上升超過(guò)30%的區(qū)域（圖4（a），（c）），分別計(jì)算b值在這兩個(gè)區(qū)域的時(shí)間變化情況。受區(qū)域范圍和地震數(shù)量的影響，b值下降區(qū)域以300 個(gè)地震為時(shí)間窗10 個(gè)地震滑動(dòng)計(jì)算b值（圖4（b）），上升區(qū)域以100 個(gè)地震為時(shí)間窗5 個(gè)地震滑動(dòng)計(jì)算b值（圖4（d））。最終結(jié)果顯示，b值下降區(qū)域在2019 年靖西M5.2 地震之前，存在一個(gè)近4 年的長(zhǎng)時(shí)間b值下降（圖4（d）方框內(nèi)），2014 年 11 月至 2018 年 8 月b值從 1.17 下降到了0.8，而后b值出現(xiàn)顯著的回升，持續(xù)六個(gè)月至 2019 年 4 月，2019 年 5 月開始b值再次下降直至發(fā)震。靖西5.2 級(jí)地震后，b值短暫回升轉(zhuǎn)平之后發(fā)生2021 年德保M4.8 地震。在粵桂交界地區(qū)，2019年北流5.2級(jí)地震前b值處于從低值上升階段，震后而后出現(xiàn)短暫的b值上升速率增加，約一年后恢復(fù)震前上升速率。

圖4 2008-01—2022-03廣西及鄰區(qū)b值空間分布和時(shí)間變化情況Fig.4 Spatial distribution and temporal variation of b value in Guangxi and its adjacent areas from January 2008 to March 2022

3 討論

孟昭彤等[16]根據(jù)以往震列總結(jié)出了4 種大震前b值隨時(shí)間變化的類型：①在大地震發(fā)生之前的幾年時(shí)間，b值升高，主震發(fā)生之后，b值下降；②在大地震發(fā)生之前幾年，b值降低，主震發(fā)生之后，b值升高；③大震發(fā)生前b值會(huì)明顯下降，并在回升過(guò)程中發(fā)生大震；④在大地震發(fā)生前，b值升高，但在主震前短時(shí)間內(nèi)有下降的前兆。顯然圖4（b）中展示的b值變化情況與以上4 種類型接皆不相符，靖西地震發(fā)生在長(zhǎng)時(shí)間b值下降導(dǎo)致的低b值背景下，發(fā)震前出現(xiàn)顯著的回升后快速降低轉(zhuǎn)折。這種b值變化特征與2008 年汶川8.0 級(jí)地震[10]和2011 年日本東北9.0 級(jí)地震非常相似。一般認(rèn)為，b值與應(yīng)力呈反比，地下高應(yīng)力狀態(tài)更有利于地震的發(fā)生，大震之前低b值的特性已經(jīng)得到普遍驗(yàn)證[17-20]。廣西中西部地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間的b值下降反映了區(qū)域內(nèi)應(yīng)力的持續(xù)性增強(qiáng)，而GNSS 基線結(jié)果顯示，華南塊體西部2011 至今持續(xù)受到川滇地塊的順時(shí)針壓扭作用，為區(qū)域應(yīng)力增強(qiáng)提供了動(dòng)力來(lái)源[21]。馬瑾等[22]通過(guò)對(duì)地震前亞失穩(wěn)狀態(tài)的研究，將粘滑型地震孕育分為平穩(wěn)變形，偏離線性，亞失穩(wěn)，失穩(wěn)和失穩(wěn)后5個(gè)階段，其中偏離線性階段是應(yīng)力釋放的開始，在此階段處于由應(yīng)力積累向應(yīng)力釋放的過(guò)渡階段，應(yīng)力釋放尚不占優(yōu)勢(shì)，亞失穩(wěn)階段應(yīng)力釋放逐步占據(jù)優(yōu)勢(shì)。這或許可以解釋靖西地震前一年左右出現(xiàn)的b值上升再下降的擾動(dòng)變化現(xiàn)象，即b值上升意味著地震孕育處于偏離線性階段，在這個(gè)階段應(yīng)力累積已經(jīng)結(jié)束而釋放并未完全開始，造成了階段性的區(qū)域地震活動(dòng)性減弱，b值上升。而后地震孕育進(jìn)入亞失穩(wěn)階段，應(yīng)力釋放逐漸顯著，b值也同步下降，直至失穩(wěn)，地震發(fā)生。圖4（d）中展示的b值上升區(qū)于2019 年10月12日發(fā)生北流5.2級(jí)地震，地震前后，除了震后余震造成的相對(duì)短時(shí)間的b值擾動(dòng)，其上升的整體態(tài)勢(shì)不變，這不同于研究領(lǐng)域?qū)τ谡鹎癰值下降的一般認(rèn)識(shí)。1996 年麗江M7 地震震前同樣具有高b值動(dòng)態(tài)演化特點(diǎn)，同時(shí)震中及震后余震區(qū)位于高波速比異常區(qū)[23]，其所反映出的孕震模式被稱為堅(jiān)固體孕震模式，即非均勻地殼中高速擾動(dòng)體（堅(jiān)固體）的存在是局部地區(qū)應(yīng)力高度集中的根本條件，當(dāng)高速擾動(dòng)體被低速擾動(dòng)區(qū)包圍時(shí)，即震源體的剛度比四周的環(huán)境剛度大時(shí)可以滿足失穩(wěn)條件導(dǎo)致突然破裂發(fā)生大地震；否則可以導(dǎo)致緩慢破裂而不發(fā)生大地震[24]，區(qū)域出現(xiàn)高b值特征。黃強(qiáng)強(qiáng)等[25]針對(duì)北流地震震源區(qū)短周期密集臺(tái)陣背景噪聲成像的研究結(jié)果表明，震源區(qū)存在NNWSSE 向的高速異常，而震中上方為上凸形態(tài)的高速異常，這些高速異?？赡転橹猩◢弾r基，這種局部異常高速體可能是華南“馬賽克”結(jié)構(gòu)中微陸塊在上地殼中的延伸，上地殼結(jié)構(gòu)的不均勻性和大尺度構(gòu)造相互作用，會(huì)在局部區(qū)域?qū)е聭?yīng)力積累，從而引發(fā)中強(qiáng)地震，這種地震成因機(jī)理與堅(jiān)固體孕震模式非常類似，推測(cè)為北流地震震源區(qū)及周邊b值持續(xù)上升的根本原因。

事實(shí)上靖西5.2 級(jí)地震前b值變化特征并不孤立，考慮b值地下應(yīng)力計(jì)的性質(zhì)，其所反應(yīng)的區(qū)域應(yīng)力累積、釋放等與地震孕震相關(guān)內(nèi)在機(jī)制還有待深入研究。但不能否認(rèn)，在b值長(zhǎng)期下降的背景下其值出現(xiàn)先上升后下降的變化形態(tài)是具有明顯的前兆意義的，需要持續(xù)關(guān)注，同時(shí)這種b值變化特征對(duì)于中強(qiáng)地震的普適性還需要深入研究。北流地震前后區(qū)域內(nèi)b值始終升高的現(xiàn)象，與地震孕震模式密切相關(guān)，震源區(qū)地下高速異常表明其具有明顯的堅(jiān)固體孕震特征。

4 結(jié)論

本文基于廣西臺(tái)網(wǎng)提供的地震目錄，利用基于格點(diǎn)搜索的b值分析方法程序，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行b值時(shí)空分析，主要認(rèn)識(shí)如下：

（1）華南西部存在兩個(gè)b值顯著變化區(qū)域，分別為廣西中西部b值顯著下降區(qū)和粵桂交界b值顯著上升區(qū)，這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)分別發(fā)生的2019 年靖西5.2及地震和2019年北流5.2級(jí)地震。

（2）廣西中西部地區(qū)在長(zhǎng)時(shí)間b值下降導(dǎo)致的低b值背景下，出現(xiàn)顯著的回升后快速降低轉(zhuǎn)折，而后發(fā)生靖西5.2 及地震。這種b值變化特征與2008 年汶川 8.0 級(jí)地震和 2001 年日本東北 9.0 級(jí)地震震前區(qū)域b值變化非常相似，具有明顯前兆意義。

（3）粵桂交界區(qū)域 2019 年 10 月發(fā)生北流 5.2 級(jí)地震，發(fā)震前后b值上升態(tài)勢(shì)不變，結(jié)合地下速度結(jié)構(gòu)分析，認(rèn)為其具有明顯的堅(jiān)固體孕震特征，從而導(dǎo)致b值升高異常。